摘　要　結合高耐久、高性能混凝土配合比的設計方法和聚羧酸系外加劑的特點,以及客運專線所處施工環境原材料的實際現狀,介紹客運專線預應力混凝土箱梁C50高性能混凝土的配合比設計方法,提出了其施工中應注意的一些事項,以供參考。

關鍵詞　客運專線　配合比設計　泵送施工　高性能混凝土　外加劑

中圖分類號　U445. 47　　文獻標識碼　A　　文章編號　1009 4539 (2007) 02 0010 04

1 　概述

　　根據國務院批準的《中長期鐵路網規劃》,到2020年,客運專線建設量達1. 2萬km以上,隨著京津、合寧、武合、溫福、甬溫、武廣、福廈等客運專線相繼開工,中國大規模建設高速鐵路已經啟動。

　　為建設高標準客運專線、推動鐵路建設技術進步,鐵道部科技司等相關部門發布了若干暫行技術條件和規范、標準,確保客運專線混凝土結構的長期耐久性。

　　客運專線預應力混凝土箱梁混凝土的技術性能特點有以下幾點: (1)混凝土有抗裂、抗氯離子滲透性、抗凍性、耐蝕性、抗堿骨料反應性等耐久性要求;(2)礦物摻和料、聚羧酸系高性能外加劑使用納入箱梁高性能混凝土技術標準要求。

　　下文就客運專線預應力混凝土箱梁C50 高性能混凝土應遵循的配合比設計方法和泵送施工中應注意的一些事項進行闡述,以期給客運專線箱梁高性能混凝土施工提供參考。

2 　C50 高性能混凝土的配合比設計

　　客運專線橋梁使用年限按100年考慮,預應力混凝土箱梁C50混凝土技術要求主要有: 56 d電通量小于1 000 C (氯鹽環境小于800 C) ;抗凍融指標為F200 (凍融環境F300) ;抗滲等級P20以上。

2. 1　配合比設計技術路線

　　基于抗裂和耐久性考慮,“大摻量礦物摻和料+高性能外加劑”是配制預應力混凝土箱梁高性能混凝土的主要技術路線。

　　對客運專線預應力混凝土箱梁混凝土來說,除預應力措施外,混凝土本體的抗裂性是首要考慮因素,基于對水化熱和體積穩定性的考慮決定了應積極選擇粉煤灰和磨細礦粉作為輔助膠凝材料,并選擇適應箱梁施工的兼有低收縮、早強、緩凝性能的聚羧酸系高性能外加劑配制其混凝土成為關鍵技術措施,也符合混凝土耐久性的技術實現途徑。

2. 2　原材料選擇

　　(1)基于控制水化熱和收縮的抗裂要求以及耐久性要求,選擇膠凝材料主要應注意以下幾點:

　　①水泥。強度等級應在42. 5以上;應限制使用早強型水泥;應控制堿含量≤0. 6%;應控制熟料中的C3A含量≤8%;應控制比表面積≤350 m2 /kg。

　　②粉煤灰。控制燒失量≤3%;控制需水量比≤100%;對于硫酸鹽侵蝕環境,應限制粉煤灰CaO含量≤10%。

　　③磨細礦粉。控制比表面積350～450 m2 /kg。

　　(2)基于強度和耐久性要求,選擇骨料應注意以下幾點:

　　①粗骨料。母巖強度應達90 MPa以上;級配合理,粒形好,緊密空隙率宜≤40% ,松堆密度大于1 500 kg/m3 ,壓碎值≤10% ,針片狀≤5%;硬質、潔凈碎石;控制吸水率≤2% ,處于凍融環境應≤1%;非堿活性。

　　②細骨料。細度模數宜為2. 6～3. 0,含泥量≤2%,吸水率≤2% ,硬質、潔凈、天然河砂;非堿活性。

　　(3)基于抗裂、耐久性、強度、施工性能要求,選擇外加劑應注意:外加劑與膠凝材料的相容性要好,減水率宜為25%以上,并適度引氣,適度緩凝。

2. 3　配合比設計方法

　　預應力混凝土箱梁C50 混凝土配合比是基于抗裂、抗氯離子滲透、抗硫酸鹽腐蝕、抗凍融、抗碳化等耐久性的早強高性能混凝土配合比設計,因此,應遵循高性能混凝土配合比設計方法,即選擇水膠比、礦物摻和料摻量、含氣量、漿集比、砂率(粗骨料用量)等參數采用絕對體積法進行配合比設計,既可科學地指導混凝土的實際施工和過程調整,又便于分析施工中產生問題的原因。

2. 4　配合比參數選擇

2. 4. 1　C50高性能混凝土各參數的選擇

(1)水膠比

　　從100年設計年限要求的上海東海大橋和杭州灣跨海大橋預應力混凝土箱梁C50高性能混凝土的成功實踐來看,水膠比通常選擇0. 31～0. 33,較適應基于國內原材料現狀的預應力混凝土箱梁C50高性能混凝土的施工。

(2)礦物摻合料摻量

　　通常,為有效改善混凝土抗化學侵蝕性能,優質粉煤灰的摻量宜選擇25% ～30% ,磨細礦粉的摻量宜選擇30%～50%。

　　采用52. 5及以上等級的水泥時,粉煤灰可選擇較大摻量,考慮預應力混凝土箱梁施工特點兼顧早強、降低水化熱的要求以及原料來源的限制,摻合料可選擇粉煤灰或磨細礦粉單摻路線、粉煤灰和磨細礦粉雙摻路線。

　　因摻合料單摻使用在不同施工季節難以協調混凝土強度、水化熱、耐久性、施工性能之間的矛盾,箱梁混凝土施工以粉煤灰與磨細礦粉二者雙摻較為適宜,通常雙摻的摻量組合范圍為: 粉煤灰( 10% ～20% ) +磨細礦粉(20%～45% ) ,總量30%～55%。

　　混凝土摻入粉煤灰因早期強度偏低,其摻量應根據水泥實際強度和施工季節的溫度條件進行調整,以適應箱梁的預應力張拉要求,摻量通常應選擇15%以上,以利于改善混凝土和易性和水化熱。礦粉的摻量則主要應兼顧到施工性能,如混凝土粘度過大、拌和物流動性損失過快而影響混凝土可泵性時則應適當減少用量。

(3)漿集比

　　Mehta和A tcin認為,采用適宜的集料時,漿集體積比0. 35∶0. 65可以解決強度、工作性和尺寸穩定性(彈性模量、干縮和徐變)之間的矛盾。筆者多年來的混凝土施工實踐也表明,按此參數設計施工,可以得到理想的高性能混凝土。

　　客運專線預應力混凝土箱梁C50 高性能混凝土采用聚羧酸外加劑和大摻量礦物摻合料通常可使單位用水量降低至145 ～155 kg/m3 ,按照水膠比0. 31～0. 33 計算,漿集比通常為( 0. 33 ～0. 37 ) ∶(0. 67～0. 63) ,保證適宜的含氣量( 2% ～4% ) ,可使漿集比參數與泵送施工工藝相協調,獲得施工性能優良的混凝土拌和物。

(4)含氣量

　　保證適宜的含氣量,可以提高混凝土的抗凍性能、抗硫酸鹽腐蝕性能,改善混凝土的拌和物性能和施工性能,保證適宜的漿體體積量,改善骨料性能缺陷,提高混凝土的勻質性和穩定性。

　　從施工性能和凍融耐久性兩方面考慮,客運專線預應力混凝土箱梁C50混凝土通常應保證混凝土含氣量2% ～4% (抗凍F200以上) ,如進行混凝土配合比設計時因膠凝材料原因導致混凝土單位用水量較低時,為保證適宜的泵送施工性能,應按含氣量上限進行設計。

(5)砂率(粗骨料用量)

　　確定砂率應考慮粗骨料密實堆積下的空隙率,如粗骨料粒形不好、級配差、空隙率大會造成填充空隙的膠凝材料漿體和細骨料用量過大、粗骨料用量過少,造成填充空隙和包裹骨料的膠凝材料用量增加,影響混凝土的彈性模量和尺寸穩定性。

　　砂的細度模數通常不能完全反映顆粒組成差異,砂率還應根據砂自身的顆粒組成進行調整:細顆粒含量過多時則應適當降低砂率,以防止過多的細顆粒含量引起骨料裹漿量不足,引起管道潤滑層摩擦阻力增大;細顆粒含量過少時則應適度增加砂率,增強漿體保水性能,降低離析傾向。

2. 4. 2　C50高性能混凝土配合比設計參數選擇建

議值

　　如粗骨料級配良好,細骨料中細顆粒含量合適,水泥相容性良好,采用聚羧酸外加劑配制的客運專線預應力混凝土箱梁C50高性能混凝土,進行配合比設計時通常可按表1建議參數選擇。

3 　泵送質量控制

　　箱梁混凝土膠凝材料用量相對較多,進行適當控制容易使漿體含量適應泵送施工要求,但由于水膠比低、摻合料用量大、聚羧酸外加劑相對敏感而使拌和物性能不容易掌控,極易因原材料品質的波動出現混凝土工作性不良。通過上述引起工作性不良的原因分析,可以明確主要通過嚴格控制計量、控制混凝土攪拌時間、控制骨料含水率波動、按照實際原材料及時調整相應參數的辦法對混凝土施工性能進行控制。

　　根據箱梁高性能混凝土的特點和聚羧酸外加劑的特性,箱梁泵送高性能混凝土建議注意如下參數和環節的控制。

　　(1)施工時應合理控制混凝土的流動性,優化可泵性。

　　泵送混凝土的可泵性與混凝土粘著管道產生的阻力及其在管道內流動的速度快慢產生的阻力有關,混凝土流動性過低、粘度過大會引起摩擦阻力增大導致泵送壓力增加,增加到一定程度即引起堵管。

　　采用聚羧酸外加劑拌制的箱梁混凝土單位用水量及水膠比較低并大量使用摻合料,混凝土粘度相對較大,同時混凝土中細粉料在聚羧酸外加劑適宜摻量時的保水能力非常強,如按照以往對采用萘系減水劑的箱梁泵送混凝土的控制觀念進行坍落度單指標控制時,將引起混凝土壓力泌水過少,壓力泌水率過低,黏度過大,極易造成泵送壓力上升過高引起泵送受阻。

　　結合聚羧酸外加劑在適宜摻量時混凝土常壓泌水和壓力泌水較小的特點,應適當提高混凝土的流動性,降低混凝土黏度,以擴展度和坍落度雙指標控制流動性并以倒坍落度筒流下時間評價黏度,以滿足泵送工藝要求的可泵性。

　　可采用倒坍落度筒流下時間、壓力泌水率和泵送壓力來指導實際泵送施工。建議按照擴展度450～550 mm、坍落度180～220 mm、倒坍落度筒流下時間以5～25 s的指標對混凝土流動性、黏度進行控制,如選定配合比的混凝土壓力泌水量較小,應按建議的坍落度和擴展度的上限對配比調整、控制,防止混凝土經泵送后泵管出料口流動性下降過多影響澆筑質量。

　　　(2)配合比設計時應保證適宜的混凝土漿體含量,優化可泵性。

　　為保證漿體包裹性和充盈度,保證可泵性和振搗密實度,應采取措施保證漿體數量。如采用的骨料空隙率大,考慮鋼筋密集的箱梁施工時振搗的難度,因膠凝材料用量的限制,混凝土不應過分追求低用水量,防止低用水量引起漿體量不足,造成振搗缺陷。為防止早期張拉強度不足,應延長張拉時間,必要時應合理提高對水泥強度和骨料空隙率的要求。

　　針對我國骨料加工的實際現狀,箱梁每m3 混凝土的漿體體積不應低于0. 34 m3 ,如用水量過低時混凝土含氣量應按照2% ～4%的上限控制,并在混凝土實際容重范圍內適當調整降低石子和砂的用量、確保泵送工藝要求的漿體含量。

　　(3)嚴格材料的進場和混凝土生產過程控制,保持拌和物性能的穩定性。

4 　C50 高性能混凝土實際泵送施工配合比

調整示例

　　表2為甬溫客運專線某標段預應力混凝土箱梁C50高性能混凝土的配合比,施工單位在其第一孔梁施工前,對實際進場材料進行配合比復核時發現,混凝土拌和物較粘稠,流動性稍弱,含砂情況適宜,石子裹漿稍不足,無明顯泌水和泛漿。

表2 　甬溫客運專線某標段預應力

混凝土箱梁C50高性能混凝土配合比

　　經了解,與配比設計時相比,骨料有所變化,粒徑有所降低,石粉含量略有增加,含氣量略有降低(下降0. 5% ) ,黏度有較大增加。調整如下:

　　(1)以保證強度和耐久性能為前提,即水膠比不變甚至有所降低時改善泵送性能。

　　(2)驗算調整前配比漿集比為0. 335∶0. 665,根據拌和物漿體包裹和流動性情況,確定外加劑摻量比例不變,膠材總量(粉煤灰)和單位用水均適當增加,以提高漿體含量,充分利用優質粉煤灰有利于裹漿和改善流動性的優點,降低摩擦阻力,提高泵送性能。

　　配比調整后,水膠比從0. 33 降至0. 325,漿集比為0. 345∶0. 655,拌和物和易性明顯改善,流動性增大,粘度也得到降低,拌和樓拌和、泵送試驗結果表明調整后的配比是合適施工的。

　　通過控制適宜的混凝土攪拌時間,對骨料采取濕潤和翻拌措施,強化對拌和用水量的控制,箱梁實際施工中自始至終未出現堵管等泵送困難現象,由于施工順暢,施工時間從預計的10 ～12 h縮短到7 h,進展非常順利。

5 　結語

　　客運專線工程開工建設量大,施工點分散,原料復雜,高性能混凝土的配合比設計應充分考慮客運專線混凝土礦物摻合料摻量大和采用聚羧酸外加劑的混凝土拌和物特點、骨料等原材料的品質現狀,增進對適應泵送工藝要求的混凝土性能參數的考慮,并充分考慮實際機械、設備能力和控制水平及難度,才更有利于保證客運專線耐久性混凝土的施工質量。

參考文獻

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